在旅行的列車上，美雪（鈴木杏飾）再次邂逅了金田一（松本潤飾），并追隨于他。同伴用手中的DV記錄著發生的一切。某夜，一個木偶團長不幸被害。案發后，警探發現他原本在車廂里的尸體不翼而飛，于是引起了一陣騷亂。探長決定在一家酒店暫時住下，找尋犯罪嫌疑人，金田一等人也一同前往。后來，根據案情，嫌疑人被鎖定在木偶團體成員之中，探長想通過體重以縮小搜查范圍。但是，一個女成員的意外死亡，卻讓金田一發現了隱藏的秘密，并由此揭開了一樁塵封多年的舊案真相……本片根據天樹征丸的漫畫改編，除上述特別版魔術列車殺人事件外，還包括以下6個事件，分別為幽靈客船殺人事件、法蘭西銀幣殺人事件、黑死蝶殺人事件、速水玲香誘拐殺人事件、魔術的森殺人事件和露西亞人形殺人事件。